JP5614831B2 - Oxide superconducting current lead - Google Patents
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Description
本発明は、超電導を応用した極低温機器、例えば、大電流を必要とする超電導マグネット、超電導ケーブルや超電導変圧器等に電源から電流を供給するための酸化物超電導電流リードに関する。 The present invention relates to an oxide superconducting current lead for supplying current from a power source to a cryogenic device using superconductivity, for example, a superconducting magnet, a superconducting cable or a superconducting transformer that requires a large current.
超電導応用機器、例えば、超電導マグネットを運転する場合、マグネットを超電導状態とするために極低温に冷却する必要があり、この冷却したマグネットを励磁するためには電源から超電導コイルに電流を供給するための電流リードが必要となる。この場合、極低温機器への熱侵入は極力抑える必要があるが、電流リードからの熱侵入が最も大きい。 When operating a superconducting application device, for example, a superconducting magnet, it is necessary to cool the magnet to a cryogenic temperature in order to bring the magnet into a superconducting state. Current leads are required. In this case, it is necessary to suppress the heat intrusion to the cryogenic device as much as possible, but the heat intrusion from the current lead is the largest.
電流リードは良導電体であることが必要であるが、電気抵抗が小さくかつ熱伝導率の大きいCuやAlなどの金属を使用すると、電流リード自体のジュール発熱に加え外部からの熱侵入により超電導マグネットの冷却効率が悪くなり、超電導状態を維持するための冷却コストが膨大になるという問題があった。 The current lead needs to be a good conductor, but if a metal such as Cu or Al with low electrical resistance and high thermal conductivity is used, superconductivity will occur due to heat penetration from the outside in addition to Joule heating of the current lead itself. There is a problem that the cooling efficiency of the magnet is deteriorated, and the cooling cost for maintaining the superconducting state is enormous.
この問題を解決するためには、超電導マグネットに用いる電流リードとして、導電性と低熱伝導性を両立させる必要があり、超電導マグネットでは電流リード部分も冷却されるため、熱伝導率が小さくジュール熱を生じない酸化物超電導体を電流リードとして使用することにより、電流を供給しつつ、熱侵入量を低く抑えることが可能となる
即ち、酸化物超電導体を用いた電流リードは、液体窒素温度において高い電流密度が得られることから、大電流を必要とする超電導機器等に容易に大電流を供給することが可能であるとともに、熟伝導率が低いため外部からの熟流入を低減することが可能であり、液体ヘリウム等の冷媒のロスの低減や冷凍機の冷却効率の向上が実現可能となる。
In order to solve this problem, it is necessary to achieve both conductivity and low thermal conductivity as the current lead used in the superconducting magnet. Since the superconducting magnet also cools the current lead part, the thermal conductivity is small and Joule heat is generated. By using an oxide superconductor that does not occur as a current lead, it is possible to keep the amount of heat penetration low while supplying current. That is, a current lead using an oxide superconductor is high at a liquid nitrogen temperature. Since the current density can be obtained, it is possible to easily supply a large current to superconducting equipment that requires a large current, and it is possible to reduce the inflow from the outside due to the low conductivity. It is possible to reduce the loss of refrigerant such as liquid helium and improve the cooling efficiency of the refrigerator.
この場合、超電導電流リードに使用される超電導体として、Bi(2223)系あるいはBi(2212)系等のBi系とYBa2Cu3Oxに代表される希土類系酸化物超電導体のバルク体を棒状あるいは円筒状に成型したものや、超電導体部分を臨界電流密度(Jc)の高い銀あるいは銀合金で被覆した銀シース線材が用いられてきており、銀マトリックス中に超電導フィラメントの多数本を配置したテープ状の電流リードが知られている(例えば、特許文献1及び2参照。)。
In this case, as a superconductor used for the superconducting current lead, a Bi body such as Bi (2223) or Bi (2212) system and a bulk body of rare earth oxide superconductor represented by YBa 2 Cu 3 O x are used. Silver sheathed wires that have been formed into rods or cylinders, or superconductor parts coated with silver or silver alloys with high critical current density (Jc), have been used, and many superconducting filaments are placed in a silver matrix. A tape-shaped current lead is known (see, for example,
一方、電流リードとして、金属基板上に酸化物超電導層を設けたテープ状の超電導体を用いて酸化物超電導体と銀テープとを交互に積層したテープ状の超電導電流リードが知られている(例えば、特許文献3参照。)。
On the other hand, as a current lead, a tape-shaped superconducting current lead in which an oxide superconductor and a silver tape are alternately laminated using a tape-shaped superconductor provided with an oxide superconducting layer on a metal substrate is known ( For example, see
さらに、金属基板上に形成された中間層と、中間層の上に順次形成された酸化物超電導層及び安定化層を有するテープ状酸化物超電導線材が知られており、このテープ状酸化物超電導線材は、高い臨界電流値を有する上、金属基板として通常使用されているNi基合金基板は、銀あるいは銀合金と比較すると、その熱伝導率は1/4程度と小さく、また、このNi基合金基板の機械的強度は非常に大きいこともあり、酸化物超電導電流リードへの適用に非常に適した線材であり、このようなテープ状酸化物超電導線材を支持部材の外周に巻回した電流リードが知られている(例えば、特許文献4参照。)。 Furthermore, a tape-shaped oxide superconducting wire having an intermediate layer formed on a metal substrate, and an oxide superconducting layer and a stabilizing layer sequentially formed on the intermediate layer is known. The wire has a high critical current value, and the Ni-based alloy substrate normally used as a metal substrate has a thermal conductivity as small as about 1/4 compared to silver or a silver alloy. The mechanical strength of the alloy substrate may be very large, and it is a wire suitable for application to oxide superconducting current leads, and the current obtained by winding such a tape-shaped oxide superconducting wire around the support member Lead is known (for example, refer to Patent Document 4).
以上のように、酸化物超電導体を用いた各種の電流リードが知られているが、酸化物超電導体のバルク体用いた電流リードは、熱絶縁性には優れているが、通電容量の増加に伴いバルク体の大型化が必要となるため、その都度製造工程を変える必要がある上、製造工程及び機械的強度の観点から小断面積又はコンパクトな電流リードを製造することが困難であるという問題がある。 As described above, various current leads using oxide superconductors are known, but current leads using oxide superconductor bulk bodies are excellent in thermal insulation, but increase in current carrying capacity. Therefore, it is necessary to change the manufacturing process each time, and it is difficult to manufacture a small cross-sectional area or a compact current lead from the viewpoint of the manufacturing process and mechanical strength. There's a problem.
また、銀合金シース線材を用いた電流リ−ドは通電容量の増減に対しては使用する線材の本数を調節するだけで解決するが、結晶の配向性を高めるためには圧延加工を施してテープ状に形成する必要があり、そのため、ある程度の厚さの銀あるいは銀合金シースが必要となり、シース材が熱伝導率の非常に高い銀あるいは銀合金であるため、熱絶縁性がバルク体を用いた電流リードに比較して低く、電流リード自体の熱伝導率が大きくなるという難点がある。このため、線材の使用量を減少するとともに長尺化することが必須となり、コンパクト化が困難である。 In addition, current leads using silver alloy sheathed wires can be solved by adjusting the number of wires used to increase or decrease the current carrying capacity, but in order to improve the crystal orientation, rolling is applied. It is necessary to form a tape, and therefore a silver or silver alloy sheath with a certain thickness is required, and the sheath material is silver or a silver alloy having a very high thermal conductivity. The current lead is low compared to the current lead used, and there is a drawback that the thermal conductivity of the current lead itself increases. For this reason, it is essential to reduce the amount of wire used and to make it longer, and it is difficult to make it compact.
一方、酸化物超電導体と銀テープとを交互に積層したテープ状の超電導電流リードは、電流リード自体の熱伝導率が大きくなるという問題があり、また、テープ状酸化物超電導線材を支持部材の外周に巻回した電流リードにおいては、安定化材に銀等の熱伝導率が高い金属を用いているため、熱侵入量の低減には長尺化が必要となるが、テープ状酸化物超電導線材が支持部材の外周に巻回されているため、上記と同様に熱侵入経路を長くすることには限界があり、電流リードのコンパクト性が失われるという問題がある。 On the other hand, the tape-shaped superconducting current lead in which the oxide superconductor and the silver tape are alternately laminated has a problem that the thermal conductivity of the current lead itself is increased, and the tape-shaped oxide superconducting wire is used as a support member. The current leads wound around the outer periphery use a metal with high thermal conductivity such as silver as the stabilizing material, so it is necessary to increase the length to reduce the amount of heat penetration. Since the wire is wound around the outer periphery of the support member, there is a limit to lengthening the heat intrusion path as described above, and there is a problem that the compactness of the current lead is lost.
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、製造が容易で、かつ、熱侵入量を低く抑えるために、小断面積で長尺化、即ち、熱侵入経路を長くすることが可能で、電流リード自体の熱伝導率も小さい酸化物超電導電流リードを提供することをその目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and is easy to manufacture and has a small cross-sectional area, ie, a long heat intrusion path, in order to keep the amount of heat intrusion low. It is an object of the present invention to provide an oxide superconducting current lead capable of reducing the thermal conductivity of the current lead itself.
以上の目的を達成するために、本発明の酸化物超電導電流リードは、超電導機器と電力供給源とを接続するための電流リードであって、この電流リードは、支持部材の両側に接続された一対の電極と、この両電極と電気的に接続された電流経路とを備え、両電極間の電流経路を、MOD法により基板上に中間層を介して酸化物超電導層が形成されたミアンダ形状を有する複数本の酸化物超電導体により形成し、各電流経路を平板状の支持部材上に密着あるいは接合して配置するとともに、各電流経路の両端部において電極方向に突出するそれぞれの接続端部を両電極と接続するようにしたものである。
In order to achieve the above object, the oxide superconducting current lead of the present invention is a current lead for connecting a superconducting device and a power supply source, and the current lead is connected to both sides of the support member. comprising a pair of electrodes and a the two electrodes and electrically connected to the current path, the meandering shape of the current path between the electrodes, the oxide superconducting layer via an intermediate layer was formed on the substrate by the MOD method Each of the connection end portions projecting in the electrode direction at both ends of each current path is formed by a plurality of oxide superconductors having a plurality of oxide superconductors , and each current path is disposed in close contact with or bonded to a flat support member. Is connected to both electrodes .
以上のミアンダ形状は、電子機器の回路基板等の伝送経路に用いられているジグザグ、蛇行あるいはつづら折り形状をさす。 The meander shape described above refers to a zigzag, meander or zigzag folded shape used in a transmission path such as a circuit board of an electronic device.
また、このミアンダ形状の酸化物超電導体からなる電流経路を、近接して平行に配置された奇数の直線部とこの奇数の直線部の隣接する端部間を順次接続する接続部により形成することもできる。 Further, a current path made of this meander-shaped oxide superconductor is formed by an odd number of straight line portions arranged in parallel and a connection portion for sequentially connecting adjacent end portions of the odd number of straight line portions. You can also.
以上の発明における支持部材は、平板状、円柱状又は円筒状等の任意の形状とすることができるが、電流経路であるミアンダ形状の酸化物超電導体を支持できる形状であることが必要である。 The supporting member in the above invention can have any shape such as a flat plate shape, a columnar shape, or a cylindrical shape, but it needs to have a shape that can support a meander-shaped oxide superconductor that is a current path. .
また支持部材は、機械的強度を有することが必要であるため、SUS、Cu、Al又はAg合金等の金属部材、好ましくはGFRP、ステンレス合金、ニッケル基合金又はチタン合金等の非磁性体で、かつ低熱伝導率材料により形成される。 Further, since the support member needs to have mechanical strength, it is a metal member such as SUS, Cu, Al or Ag alloy, preferably a non-magnetic material such as GFRP, stainless alloy, nickel base alloy or titanium alloy, In addition, it is made of a low thermal conductivity material.
上記の支持部材が金属部材で形成される場合には、その両端部にGFRP等の低熱伝導率を有する電気的絶縁材料を介して無酸素銅等からなる電極が電気的に接続される。 When the support member is formed of a metal member, electrodes made of oxygen-free copper or the like are electrically connected to both ends of the support member via an electrically insulating material having a low thermal conductivity such as GFRP.
上記の両電極間に、電流経路となるMOD法により形成されたミアンダ形状を有する酸化物超電導体の両端部が半田付け等により電気的に接続される。酸化物超電導体は、その安定化層を支持部材に密着あるいは接合して配置されるか、あるいは酸化物超電導体の基板を支持部材上に密着あるいは接合して配置されるが、電気的絶縁テープを介して支持部材上に載置してもよい。 Both ends of the oxide superconductor having a meander shape formed by the MOD method serving as a current path are electrically connected between both the electrodes by soldering or the like. The oxide superconductor is disposed with its stabilizing layer in close contact with or bonded to the support member, or the oxide superconductor is disposed in close contact with or bonded to the support member. It may be placed on the support member via
以上の発明における酸化物超電導体は、基板上に中間層を介して形成されたREBaxCu3Oy(REは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm及びYbから選択された1又は2種以上の元素を示し、x≦2及びy=6.2〜7である。以下、REBCOと称する。)系超電導体により形成することが好ましく、この超電導薄膜の上に安定化層が被覆される。 The oxide superconductor in the above invention is REBa x Cu 3 O y (RE is Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) formed on the substrate via an intermediate layer. 1 or 2 or more elements selected from Yb, where x ≦ 2 and y = 6.2 to 7. Hereinafter, referred to as REBCO. A stabilizing layer is coated on top.
上記のREBCO系超電導体は、大面積化が可能であれば、気相法であるパルスレーザー(PLD)法、化学蒸着(CVD)法、金属有機酸塩あるいは有機金属化合物を原料としたMOD法のいずれを用いて成膜することができるが、MOD法(Metal Organic Deposition Processes:金属有機酸塩堆積法)、即ち、金属成分の有機化合物が均一に溶解した原料溶液を基板上に塗布した後、これを加熱して熱分解させることにより基板上に薄膜を形成する方法により形成することが好ましい。 The REBCO-based superconductor can be formed by a pulsed laser (PLD) method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a metal organic acid salt or an organic metal compound as a raw material, as long as the area can be increased. The MOD method (Metal Organic Deposition Processes), that is, after applying a raw material solution in which the organic compound of the metal component is uniformly dissolved is applied on the substrate. It is preferably formed by a method of forming a thin film on a substrate by heating and thermally decomposing it.
塗布方法はスピンコート法、ディップコート法、インクジェット法、スプレー法などが挙げられるが、連続して溶液を基板上に塗布可能なプロセスであればこの例によって制約されるものではない。尚、1回当りの塗布厚は0.01〜3.0μmとし、0.1〜1.0μmとするのが望ましい。 Examples of the coating method include a spin coating method, a dip coating method, an ink jet method, and a spray method. However, the coating method is not limited by this example as long as it is a process capable of continuously coating a solution on a substrate. The coating thickness per one time is 0.01 to 3.0 μm, and preferably 0.1 to 1.0 μm.
MOD法においては、面内配向性の高い金属基板上に面内配向度と方位を向上させた中間層を1層あるいは複数層形成し、この中間層の結晶格子をテンプレートとして用いることによって、超電導層の結晶の面内配向度と方位を向上させることができ、非真空プロセスであることから低コストで高速成膜が可能であるため長尺又は大面積の平板状酸化物超電導線材の製造に適し、また、結晶が2軸配向しているため、Bi系銀シース線材に比べ、臨界電流密度(Jc)が高く、液体窒素温度での磁場特性に優れるとともに、高臨界電流(Ic)値を得るための厚膜化が容易であるいう利点を有する。 In the MOD method, one or more intermediate layers with improved in-plane orientation and orientation are formed on a metal substrate having high in-plane orientation, and the crystal lattice of this intermediate layer is used as a template to superconductivity. In-plane orientation and orientation of the crystal of the layer can be improved, and since it is a non-vacuum process, high-speed film formation is possible at low cost, so it is possible to manufacture a long or large area planar oxide superconducting wire. Suitable and because the crystal is biaxially oriented, it has a higher critical current density (Jc) than the Bi-based silver sheath wire, excellent magnetic field characteristics at liquid nitrogen temperature, and high critical current (Ic) value. It has the advantage that it is easy to obtain a thick film.
以上のMOD法のうち、フッ素を含む有機酸塩(例えば、TFA塩:トリフルオロ酢酸塩)を出発原料とし、水蒸気雰囲気中で熱処理を行うことにより、フッ化物の分解を経由して超電導体を得る方法(以下、TFA−MOD法と称する。)を用いることが好ましく、この場合の原料溶液は、RE、Ba及びCuの金属有機酸塩の少なくとも一つはF元素を含み、特にBaの金属有機酸塩がF元素を含む溶液を用いることが好ましい。 Among the MOD methods described above, an organic acid salt containing fluorine (for example, TFA salt: trifluoroacetate salt) is used as a starting material, and heat treatment is performed in a steam atmosphere, so that a superconductor is obtained via decomposition of fluoride. It is preferable to use a method obtained (hereinafter referred to as TFA-MOD method). In this case, the raw material solution contains at least one of metal organic acid salts of RE, Ba and Cu containing F element, and in particular, a metal of Ba. It is preferable to use a solution in which the organic acid salt contains element F.
例えば、(イ)REを含む金属有機酸塩溶液として、REを含むトリフルオロ酢酸塩、ナフテン酸塩、オクチル酸塩、レブリン酸塩、ネオデカン酸塩のいずれか1種以上を含む溶液、特に、REを含むトリフルオロ酢酸塩溶液、(ロ)Baを含む金属有機酸塩溶液として、Baを含むトリフルオロ酢酸塩の溶液及び(ハ)Cuを含む金属有機酸塩溶液として、Cuを含むナフテン酸塩、オクチル酸塩、レブリン酸塩、ネオデカン酸塩のいずれか1種以上を含む溶液が用いられる。 For example, (i) as a metal organic acid salt solution containing RE, a solution containing any one or more of trifluoroacetate, naphthenate, octylate, levulinate, and neodecanoate containing RE, A trifluoroacetate solution containing RE, (b) a metal organic acid salt solution containing Ba as a solution of trifluoroacetate containing Ba, and (c) a metal organic acid salt solution containing Cu as a naphthenic acid containing Cu A solution containing at least one of salt, octylate, levulinate, and neodecanoate is used.
このTFA−MOD法の採用により、塗布膜の仮焼後に得られるフッ素を含むアモルファス前駆体と水蒸気との反応によりHFガスを発生しつつ超電導膜が成長する界面にHFに起因する液相を形成し、基板界面から超電導体をエピタキシャル成長させることができる。 By adopting this TFA-MOD method, a liquid phase caused by HF is formed at the interface where the superconducting film grows while generating HF gas by the reaction between the amorphous precursor containing fluorine obtained after calcining of the coating film and water vapor. In addition, the superconductor can be epitaxially grown from the substrate interface.
本発明において、REBCO系超電導体中のBaのモル比を1.3<y<1.7の範囲内とすることが好ましい。Baのモル比をその標準モル比(2)より小さくすることにより、Baの偏析が抑制され、結晶粒界でのBaべ一スの不純物の析出が抑制される結果、良好な電流経路を得ることができる。 In the present invention, it is preferable that the molar ratio of Ba in the REBCO-based superconductor is within a range of 1.3 <y <1.7. By making the molar ratio of Ba smaller than the standard molar ratio (2), the segregation of Ba is suppressed, and the precipitation of Ba-based impurities at the grain boundaries is suppressed, resulting in a good current path. be able to.
REBCO系超電導体は、超電導体を構成する金属元素を含む原料溶液を中間層上に塗布し、仮焼熱処理を施す工程を複数回繰り返して、結晶化熱処理後に所定の膜厚を有するように積層して形成される。 The REBCO-based superconductor is laminated so that a raw material solution containing a metal element constituting the superconductor is applied on the intermediate layer and subjected to a calcining heat treatment a plurality of times so that it has a predetermined film thickness after the crystallization heat treatment. Formed.
本発明において使用される基板としては、2軸配向性の多結晶基板又は無配向の多結晶基板のいずれも用いることができる。配向性Ni基板としては、冷間で強圧延加工したNi基板を真空中あるいは還元雰囲気中で熱処理を施して高配向させたRABiTS(商標:rolling-assisted biaxially textured-substrates)を用いることができ、この配向性Ni基板の上に、例えばCe2Zr2O2の液相エピタキシャル層の薄膜及びCeO2の液相エピタキシャル層の薄膜が順次形成される。 As the substrate used in the present invention, either a biaxially oriented polycrystalline substrate or a non-oriented polycrystalline substrate can be used. As the oriented Ni substrate, RABiTS (trademark: rolling-assisted biaxially textured-substrates) in which a Ni substrate that has been cold-rolled strongly and subjected to heat treatment in a vacuum or a reducing atmosphere can be used. For example, a thin film of a liquid phase epitaxial layer of Ce 2 Zr 2 O 2 and a thin film of a liquid phase epitaxial layer of CeO 2 are sequentially formed on this oriented Ni substrate.
一方、無配向の多結晶基板を用いる場合には、IBAD法(Ion Beam Assisted Deposition)を用いることができる。このIBAD法を用いた複合基板は、非磁性で高強度のテープ状Ni系基板(ハステロイ等)に対して斜め方向からイオンを照射しながら、ターゲットから発生した粒子を堆積させて形成した高配向性を有し超電導体を構成する元素との反応を抑制する中間層(CeO2、Y2O3、YSZ等)を設けたもので、上記の中間層を2層構造としたもの(CeO2又はY2O3/YSZ又はZr2Rx2O7等:Rxは、Y、Nd、Sm、Gd、Ei、Yb、Ho、Tm、Dy、Ce、La又はErを示す。)もよく適合する(特開平4−329867号、特開平4−331795号,特願2000−333843号)。 On the other hand, when a non-oriented polycrystalline substrate is used, an IBAD method (Ion Beam Assisted Deposition) can be used. This composite substrate using the IBAD method is formed by depositing particles generated from a target while irradiating ions from an oblique direction to a non-magnetic high-strength tape-like Ni-based substrate (Hastelloy, etc.). The intermediate layer (CeO 2 , Y 2 O 3 , YSZ, etc.) that suppresses the reaction with the elements constituting the superconductor is provided, and the intermediate layer has a two-layer structure (CeO 2 Or Y 2 O 3 / YSZ or Zr 2 R x2 O 7 etc .: R x represents Y, Nd, Sm, Gd, Ei, Yb, Ho, Tm, Dy, Ce, La or Er. (JP-A-4-329867, JP-A-4-33195, Japanese Patent Application No. 2000-333843).
以上のNi基合金としては、NiにW、Mo、Cr、Fe、Cu、V、Sn及びZnから選択された1以上の元素を含むものを用いることができる。 As the above Ni-based alloy, an alloy containing one or more elements selected from W, Mo, Cr, Fe, Cu, V, Sn and Zn in Ni can be used.
本発明においては、電流経路がMOD法によりミアンダ形状を有する酸化物超電導体により形成されていることにより、小断面積で長尺の電流経路の形成が可能となり、熱侵入経路を長くすることできるため、熱侵入量を低く抑えることができ、かつ、その製造も容易であるとともに、そのコンパクト化、即ち、電流リードの長さを変えることなく熱侵入量を低減させることが可能となる。 In the present invention, since the current path is formed of an oxide superconductor having a meander shape by the MOD method, a long current path can be formed with a small cross-sectional area, and the heat intrusion path can be lengthened. Therefore, the amount of heat intrusion can be kept low, and its manufacture is easy, and it is possible to make it compact, that is, to reduce the amount of heat intrusion without changing the length of the current leads.
本発明においては、まず、所定の面積(後述する物理的加工に必要な面積)を有するNi−W基板上にMOD法あるいは気相法により中間層を2層成膜し、この中間層上にTFA−MOD法によりREBCO系超電導体の仮焼膜を形成する。この工程を複数回繰り返して所定の膜厚の仮焼膜を得た後、水蒸気雰囲気下で結晶化熱処理を施して中間層上に超電導体を形成する。この場合、IBAD法により基板上に中間層を設けた複合基板を用い、この複合基板上にTFA−MOD法によりREBCO系超電導体の仮焼膜を形成することもできる。 In the present invention, first, two intermediate layers are formed by a MOD method or a vapor phase method on a Ni—W substrate having a predetermined area (area required for physical processing described later), and on this intermediate layer. A calcined film of a REBCO superconductor is formed by the TFA-MOD method. This process is repeated a plurality of times to obtain a calcined film having a predetermined film thickness, and then a crystallization heat treatment is performed in a water vapor atmosphere to form a superconductor on the intermediate layer. In this case, it is also possible to use a composite substrate in which an intermediate layer is provided on the substrate by the IBAD method, and to form a calcined film of the REBCO superconductor on the composite substrate by the TFA-MOD method.
次いで、基板上に中間層を介して形成された平板状の酸化物超電導体に物理的手段を施してミアンダ形状の電流経路となる導体を作成する。 Next, physical means is applied to the flat oxide superconductor formed on the substrate via the intermediate layer to create a conductor that becomes a meander-shaped current path.
上記の物理的手段としては、基板上に中間層を介して形成された平板状の酸化物超電導体を上部からパンチでプレスすることにより、ミアンダ形状の輪郭形状にせん断加工する打ち抜き加工や、ダイヤモンドカッターにより平板状の酸化物超電導体をミアンダ形状に成形する切込み加工又は平板状の酸化物超電導膜体にレーザー加工装置を用いてミアンダ形状に物理的エッチングを施すレーザー加工のいずれかを用いることが可能である。このレーザー加工は、酸化物超電導体にレーザーを照射することにより被照射部を分解又は溶融させ超電導相を破壊して非超電導相に変質させ、レーザーが照射されない部分をもって電流経路を形成するものである。 As the physical means described above, a flat oxide superconductor formed on the substrate via an intermediate layer is punched from above to punch it into a meander-shaped contour, or diamond It is possible to use either a cutting process in which a flat oxide superconductor is formed into a meander shape by a cutter or a laser processing in which a flat oxide superconductor film body is physically etched into a meander shape using a laser processing apparatus. Is possible. In this laser processing, the irradiated superconductor is decomposed or melted by irradiating a laser to the oxide superconductor to destroy the superconducting phase and transform it into a non-superconducting phase, and a current path is formed by a portion not irradiated with the laser. is there.
ミアンダ形状の電流経路となる導体は、通常、基板上に中間層を介して酸化物超電導層を形成した後、物理的手段を施して形成されるが、場合によっては、基板に物理的手段を施してミアンダ形状の基板を作成した後、この上に中間層及び酸化物超電導層を形成する方法を採用することもできる。 The conductor serving as the meander-shaped current path is usually formed by applying physical means to the substrate after forming an oxide superconducting layer on the substrate via an intermediate layer. After forming a meander-shaped substrate, a method of forming an intermediate layer and an oxide superconducting layer thereon can be employed.
以上のミアンダ形状の電流経路は、図1に示すように、両端部に電極A、Bに接続される接続端部1a、1bと、この接続部間に形成される近接して平行に配置された奇数の直線部2及び直線部の隣接する端部間を順次接続する接続部3からなり、同図(a)においては、直線部が5本の例を、同図(b)においては、直線部が3本の電流経路10、11の例をそれぞれ示している。この場合の電流経路は、主として電極A、B間方向に平行である。
As shown in FIG. 1, the meander-shaped current paths described above are arranged in parallel in close proximity to the connection ends 1a and 1b connected to the electrodes A and B at both ends, and formed between the connections. The odd-numbered
図1(c)は、電流経路が、主として電極A、B間方向に直角な例を示したもので、両端部に電極A、Bに接続される接続端部1a、1bと、この接続部間に形成される近接して平行に配置され、電極A、B間方向に直角な奇数の直線部4及びこの直線部の隣接する端部間を順次接続する接続部5からなり、直線部が7本の電流経路12の例を示している。
FIG. 1C shows an example in which the current path is mainly perpendicular to the direction between the electrodes A and B. The connection ends 1a and 1b connected to the electrodes A and B at both ends, and the connection portions An odd number of
以上のミアンダ形状の電流経路となる導体を、両端部に電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材を介して一対の電極が接続された支持部材の表面に接合するか、あるいは載置し、必要に応じて絶縁板又は絶縁シートにより固定するとともに、その両端部を電極にそれぞれ接続する。以上の電流リードは、両端部の電極を除いて全体が金属ケース内に収容される。 The above-mentioned conductor that becomes a meander-shaped current path is joined to or placed on the surface of a support member to which a pair of electrodes are connected via a low thermal conductive member made of an electrically insulating material at both ends. Accordingly, it is fixed by an insulating plate or an insulating sheet, and both ends thereof are connected to electrodes. The above current leads are entirely housed in a metal case except for the electrodes at both ends.
以上述べたように、電流リードの電流経路をミアンダ形状とすることにより、熱侵入経路を長くすることができ、熱侵入量を著しく抑制することが可能となるとともに、ループを形成しないため、交流損失を小さくすることができる。 As described above, by making the current path of the current lead into a meander shape, the heat intrusion path can be lengthened, the amount of heat intrusion can be remarkably suppressed, and a loop is not formed. Loss can be reduced.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
実施例1
図2に示すように、所定の面積を有する配向NiーW基板21上に、Ce2Zr2O7層22a及びCeO2層22bからなる中間層22を順次形成した複合基板23を用い、この複合基板上に原料溶液を塗布し、仮焼熱処理を施した。
この複合基板23上の第1中間層であるCe2Zr2O7層22aは、バッファ層としての機能を有し、超電導層との反応を抑制して超電導特性の低下を防止し、一方、第2中間層であるCeO2層22bは、超電導層との格子整合性を維持するために配置される。
原料溶液として、Y及びBaのトリフルオロ酢酸塩とCuのナフテン酸塩をY:Ba:Cu=1:1.5:3となるように2−オクタノン中に溶解した混合溶液を用いた。
仮焼熱処理は、最高加熱温度400℃で施し、結晶化熱処理後の超電導層(YBCO層)4の膜厚が1.5μmとなるように、塗布〜加熱〜室温までの炉冷を10回繰り返した。
Example 1
As shown in FIG. 2, a
The Ce 2 Zr 2 O 7 layer 22a, which is the first intermediate layer on the
As a raw material solution, a mixed solution of Y and Ba trifluoroacetate and Cu naphthenate dissolved in 2-octanone so that Y: Ba: Cu = 1: 1.5: 3 was used.
The calcination heat treatment is performed at a maximum heating temperature of 400 ° C., and the furnace cooling from coating to heating to room temperature is repeated 10 times so that the film thickness of the superconducting layer (YBCO layer) 4 after the crystallization heat treatment becomes 1.5 μm. It was.
次いで、複合基板23上の仮焼膜を水蒸気分圧下でYBCO超電導体の結晶化熱処理を施した。この結晶化熱処理は、室温から最高熱処理温度(結晶化熱処理温度)730℃までの昇温過程と結晶化熱処理温度における恒温過程及びこれに続く室温までの炉冷過程により構成され、炉内雰囲気圧力は50Torr未満に保持された。
Next, the calcined film on the
このようにして複合基板上に形成したYBCO酸化物超電導層24の上に、Agからなる安定化層25を被覆して平板状の酸化物超電導体30を作成した。この酸化物超電導体30のIc値を測定した結果、210A/cm−widthの値を示した。
On the YBCO
以上のようにして作成した平板状の酸化物超電導体30に打ち抜き加工を施して図1(a)に示すミアンダ形状の電流経路10を形成した。この電流経路の断面積は、6×10−6であり、熱伝導率は、43.173W/m・Kであった。
The
このミアンダ形状の電流経路10の14本を図3に示すように(同図では、省略して3本の電流経路10のみを示している)、両端部に電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材42、42を介して一対の電極A,Bが接続された支持部材41の表面に載置し、その両端部1a、1bを電極A、Bにそれぞれ接続した後、絶縁板及び絶縁シート(図示せず)により支持部材41に固定するとともに、金属ケース(図示せず)に収容して電流リード50を作成した。この場合の電極A、B間の距離は0.2mであり、このミアンダ形状の電流経路10の長さは、1mである。
14 of the meander-shaped
以上の電流リード50の熱侵入量を、低温側温度20K、高温側温度77Kで通電電流2000Aの下で測定した結果、0.207W/本の値を示した。
The amount of heat penetration of the
実施例2
実施例1と同様の方法により酸化物超電導体30を作成し、次いで、平板状の酸化物超電導体に打ち抜き加工を施して図1(b)に示すミアンダ形状の電流経路11を形成した。この電流経路の断面積は、6×10−6であり、熱伝導率は、43.173W/m・Kであった。
Example 2
An
このミアンダ形状の電流経路11の14本を用いて、実施例1と同様の方法により電流リードを作成した。この場合の電極A、B間の距離は0.2mであり、このミアンダ形状の電流経路11の長さは、0.6mである。 Using 14 of the meander-shaped current paths 11, current leads were prepared in the same manner as in Example 1. In this case, the distance between the electrodes A and B is 0.2 m, and the length of the meander-shaped current path 11 is 0.6 m.
以上の電流リード50の熱侵入量を、低温側温度20K、高温側温度77Kで通電電流2000Aの下で測定した結果、0.345W/本の値を示した。
As a result of measuring the amount of heat penetration of the
比較例1〜5
実施例1と同様の方法により、断面積6×10−6のテープ状の酸化物超電導体を作成した。このテープ状線材のIc値を測定した結果、210A/cm−widthの値を示し、熱伝導率は、43.173W/m・Kであった。
Comparative Examples 1-5
A tape-shaped oxide superconductor having a cross-sectional area of 6 × 10 −6 was prepared in the same manner as in Example 1. As a result of measuring the Ic value of this tape-shaped wire, it showed a value of 210 A / cm-width, and the thermal conductivity was 43.173 W / m · K.
このテープ状の酸化物超電導体の14本を用いて、実施例1と同様の方法により電流リードを作成した。この場合の電極A、B間の距離は0.2mであり、電流経路の長さも0.2mである。 Using 14 of the tape-shaped oxide superconductors, current leads were prepared in the same manner as in Example 1. In this case, the distance between the electrodes A and B is 0.2 m, and the length of the current path is also 0.2 m.
以上の電流リードの熱侵入量を、通電電流2000Aの下で測定した結果を低温側温度及び高温側温度とともに表1に示した。 Table 1 shows the results of measuring the heat penetration amount of the above current leads under an energization current of 2000 A together with the low temperature side temperature and the high temperature side temperature.
比較例6
比較例1と同様の方法により、断面積6×10−6のテープ状の酸化物超電導体を作成した。このテープ状線材のIc値を測定した結果、210A/cm−widthの値を示し、熱伝導率は、43.173W/m・Kであった。
Comparative Example 6
A tape-shaped oxide superconductor having a cross-sectional area of 6 × 10 −6 was prepared in the same manner as in Comparative Example 1. As a result of measuring the Ic value of this tape-shaped wire, it showed a value of 210 A / cm-width, and the thermal conductivity was 43.173 W / m · K.
このテープ状の酸化物超電導体の14本を用いて、比較例1と同様の方法により電流リードを作成した。この場合の電極A、B間の距離は0.6mであり、電流経路の長さも0.6mである。 Using 14 of the tape-shaped oxide superconductors, current leads were prepared in the same manner as in Comparative Example 1. In this case, the distance between the electrodes A and B is 0.6 m, and the length of the current path is also 0.6 m.
以上の電流リードの熱侵入量を、低温側温度20K、高温側温度77K、通電電流2000Aの下で測定した結果、0.345W/本の値を示した。 As a result of measuring the heat penetration amount of the current lead under the low temperature side temperature 20K, the high temperature side temperature 77K, and the energization current 2000A, a value of 0.345 W / piece was shown.
比較例7
比較例1と同様の方法により、断面積6×10−6のテープ状の酸化物超電導体を作成した。このテープ状線材のIc値を測定した結果、210A/cm−widthの値を示し、熱伝導率は、43.173W/m・Kであった。
Comparative Example 7
A tape-shaped oxide superconductor having a cross-sectional area of 6 × 10 −6 was prepared in the same manner as in Comparative Example 1. As a result of measuring the Ic value of this tape-shaped wire, it showed a value of 210 A / cm-width, and the thermal conductivity was 43.173 W / m · K.
このテープ状の酸化物超電導体の14本を用いて、比較例1と同様の方法により電流リードを作成した。この場合の電極A、B間の距離は1.0mであり、電流経路の長さも1.0mである。 Using 14 of the tape-shaped oxide superconductors, current leads were prepared in the same manner as in Comparative Example 1. In this case, the distance between the electrodes A and B is 1.0 m, and the length of the current path is 1.0 m.
以上の電流リードの熱侵入量を、低温側温度20K、高温側温度77K、通電電流2000Aの下で測定した結果、0.207W/本の値を示した。 As a result of measuring the heat penetration amount of the above current lead under the low temperature side temperature 20K, the high temperature side temperature 77K, and the energization current 2000A, a value of 0.207 W / piece was shown.
以上の実施例及び比較例の結果から明らかなように、従来のテープ状線材を用いた電流リード(比較例1〜7)においては、熱侵入量を低減するために、電極間距離(電流経路の長さ)を大きくする必要があるため、電流リードのコンパクト化が困難であるが、本発明による電流リードにおいては、電流経路をMOD法により形成されたミアンダ形状を有する酸化物超電導体により形成することにより、電流リードのコンパクト化が可能であり、その製造も容易である。 As is clear from the results of the above Examples and Comparative Examples, in the current leads (Comparative Examples 1 to 7) using the conventional tape-shaped wire, the distance between the electrodes (current path) is reduced in order to reduce the heat penetration amount. However, in the current lead according to the present invention, the current path is formed by an oxide superconductor having a meander shape formed by the MOD method. By doing so, the current lead can be made compact and its manufacture is also easy.
本発明による酸化物超電導電流リードは、電源から超電導応用機器へ電流を供給するための電流リードに使用することができる。 The oxide superconducting current lead according to the present invention can be used as a current lead for supplying a current from a power source to a superconducting application device.
1a、1b 接続端部
2、4 直線部
3、5 接続部
10、11、12 電流経路
21 配向NiーW基板
22 中間層
22a Ce2Zr2O7層(第1中間層)
22b CeO2層(第2中間層)
23 複合基板
24 YBCO酸化物超電導層
25 Ag(安定化層)
30 酸化物超電導膜体
41 支持部材
42 電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材
50 電流リード
A、B 電極
1a,
22b CeO 2 layer (second intermediate layer)
23
30 Oxide superconducting film body 41 Support member 42 Low
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